侵蝕方式對硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)挠绊?/h1>
2010-09-05 12:44:40李鳳蘭馬利衡高潤東趙順波
長江科學(xué)院院報 2010年3期
李鳳蘭，馬利衡，高潤東，趙順波
（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
侵蝕方式對硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)挠绊?/p>
李鳳蘭1，馬利衡1，高潤東2，趙順波1
（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；
2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
對連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)2種侵蝕方式下硫酸根離子在混凝土中的傳輸過程進(jìn)行了比較研究。選取混凝土強(qiáng)度等級為C40，采用室溫下自然干燥方式，硫酸鈉侵蝕溶液的濃度為800，6 000，50 000 mg／L。當(dāng)侵蝕齡期分別達(dá)到30，90，180，360，580 d時，采用鉆芯、分層切片、研磨提取水泥石粉末樣本進(jìn)行化學(xué)分析，測定不同深度處混凝土的硫酸根離子含量。結(jié)果表明：總體上看干濕循環(huán)與連續(xù)浸泡相比更具有加速硫酸根離子向混凝土內(nèi)傳輸?shù)淖饔?，使同深度處硫酸根離子含量增加；濃度較低的侵蝕溶液硫酸根離子具有更易于向混凝土深處傳輸?shù)内厔?，使較深處硫酸根離子含量增加；濃度較高的侵蝕溶液更偏于按著由表及里破壞的方式對混凝土產(chǎn)生侵蝕，使高含量的硫酸根離子聚集在淺層混凝土中。
混凝土；硫酸鹽侵蝕；連續(xù)浸泡；干濕循環(huán)；硫酸根離子；傳輸
硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的一個重要因素。硫酸鹽能夠與混凝土中水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成體積膨脹性侵蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂［1，2］，破壞混凝土與鋼筋的粘結(jié)［3］，甚至使混凝土表層脫落，失去對鋼筋的保護(hù)作用。按外部環(huán)境作用的不同，硫酸鹽侵蝕分為連續(xù)浸泡、干濕循環(huán)和部分浸泡3種類型。連續(xù)浸泡主要是因化學(xué)侵蝕引起混凝土的破壞，而干濕循環(huán)則是化學(xué)侵蝕和物理結(jié)晶的綜合作用。
各國學(xué)者對硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了較多的研究。在干濕循環(huán)研究方面，很多試驗(yàn)采用了加熱干燥的循環(huán)方式，但是加熱時混凝土中的組分以及侵蝕產(chǎn)物會發(fā)生熱分解［4，5］，將對侵蝕機(jī)理的研究產(chǎn)生干擾。本試驗(yàn)采用室溫下自然干燥方式，模擬了自然環(huán)境中的干濕交替現(xiàn)象，采用硫酸鋇重量法檢測混凝土中硫酸根離子含量，并結(jié)合熱分析技術(shù)對侵蝕產(chǎn)物進(jìn)行辨認(rèn)［6］，研究了連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)2種侵蝕方式對硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)挠绊懀瑸榱蛩猁}侵蝕機(jī)理的研究提供了依據(jù)。
1 試驗(yàn)概況
試驗(yàn)用原材料：水泥采用鄭州金龍水泥股份有限公司生產(chǎn)的“龍源牌”42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所列；骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.71的天然河砂和最大粒徑為20 mm的連續(xù)級配碎石?；炷猎O(shè)計強(qiáng)度等級為C40，配合比為水∶水泥∶砂∶碎石＝201∶457∶591∶1 201，水灰比為0.44，砂率為33%，拌合水為自來水。
表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chem ical composition of cement%
試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，澆注成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，隨后進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。采取2種侵蝕方式［7］：一種是長期浸泡腐蝕試驗(yàn)，將試件放入到Na2SO4溶液中進(jìn)行連續(xù)浸泡；另一種是干濕循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，將試件先放入硫酸鈉溶液中浸泡15 d（濕狀態(tài)），再取出在空氣中干燥15 d（干狀態(tài)），作為一個干濕循環(huán)。硫酸鈉溶液濃度對應(yīng)于混凝土所處環(huán)境分類及其作用等級的中度、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重［8］，分別為800，6 000，50 000 mg／L（3種溶液分別用B，C，D表示）。浸泡過程中為保持溶液濃度不變，用塑料薄膜對溶液進(jìn)行密封以防止揮發(fā)，侵蝕在室內(nèi)進(jìn)行，溶液定期更換，溫度保持在20℃左右，相對濕度保持在70%左右。
為準(zhǔn)確反映硫酸根的一維侵蝕規(guī)律，減小多向侵蝕的干擾，采用雙面（對面）侵蝕，其余4面（包括成型面）用石蠟密封。侵蝕齡期為30，90，180，270，360，580 d時，使用工程鉆芯機(jī)鉆芯取樣，然后進(jìn)行切割分層，每次以3個混凝土試塊為1組，樣芯直徑為20 mm，第一層厚度取1.5 mm，第二層厚度取2 mm，以后每層厚度均取5 mm，分別對應(yīng)侵蝕深度（從試件表面算起）0.75，2.5，6，11，16，21，26，31 mm。采用改進(jìn)的水泥化學(xué)分析方法進(jìn)行混凝土硫酸根離子含量的測定［9，10］。硫酸根含量以SO3計。由于水泥中含有一定量的石膏和SO3，則混凝土在遭受外部硫酸鹽侵蝕之前，其內(nèi)部已含有一定量的硫酸根，經(jīng)測量內(nèi)部初始硫酸根含量約為0.78%。因此，當(dāng)某層測試的硫酸根含量超過0.78%時，判定該層受到了外部硫酸鹽侵蝕。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)臋C(jī)理
外部環(huán)境的硫酸根離子向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中將發(fā)生如下行為：
（1）硫酸根離子沿混凝土內(nèi)孔隙的滲透與擴(kuò)散。由于混凝土的多相組成決定了其成型后不可避免地存在孔隙和缺陷，當(dāng)混凝土試塊浸泡于硫酸鈉溶液中時，溶液中的硫酸根離子首先將依靠滲透、擴(kuò)散、毛細(xì)吸收等作用向混凝土內(nèi)部傳輸，其速率取決于混凝土的抗?jié)B性［3］。本試驗(yàn)混凝土試塊完全浸泡于裝有硫酸鈉溶液的水箱中，水箱高度有限，水壓力很小，溶液的硫酸根離子主要由內(nèi)外濃度差引起的傳輸作用進(jìn)入混凝土內(nèi)。
（2）硫酸根離子與混凝土水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)。外部硫酸根離子進(jìn)入混凝土后，與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣（石膏），硫酸鈣再與水泥水化生成的水化鋁酸鈣和水化單硫鋁酸鈣反應(yīng)生成水化三硫鋁酸鈣（鈣礬石）［1］。石膏和鈣礬石的生成均使原體積增加很多，進(jìn)而導(dǎo)致對混凝土的膨脹破壞作用，產(chǎn)生的裂隙使硫酸根離子更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，形成惡性循環(huán)［5］。B溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石，C溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物為鈣礬石和石膏，D溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為石膏［6］。
（3）可溶性侵蝕產(chǎn)物的溶出結(jié)晶。在本試驗(yàn)不流動侵蝕溶液條件下，侵蝕反應(yīng)產(chǎn)生的石膏和鈣礬石將溶出結(jié)晶。鈣礬石晶體長大造成的結(jié)晶壓將使混凝土膨脹而開裂［3，5］。
2.2 硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)囊?guī)律
根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，可以將2種侵蝕方式作用下混凝土表層（深度0.75 mm處）和內(nèi)層（深度2.5 mm處）的硫酸根離子含量隨侵蝕齡期的變化，繪制如圖1所示。
圖1 連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用下混凝土的硫酸根含量對比Fig.1 Comparisons of sulfate-ion content of concrete under continuous immersion and wetting-drying cycles
表層（對應(yīng)測試深度0.75 mm）混凝土中，侵蝕齡期30 d時，硫酸根離子含量以干濕循環(huán)侵蝕居高；隨著侵蝕齡期的增長，硫酸根離子含量由干濕循環(huán)侵蝕居高向連續(xù)浸泡侵蝕居高轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對應(yīng)的侵蝕齡期隨著侵蝕溶液濃度的增大而縮短，如B溶液對應(yīng)齡期約為300 d，D溶液對應(yīng)齡期約為60 d。這表明了硫酸根離子按照滲透與擴(kuò)散、侵蝕反應(yīng)、溶出結(jié)晶的順序向混凝土內(nèi)傳輸：在侵蝕齡期30 d時，干濕循環(huán)侵蝕只在前15 d浸泡，硫酸根離子以滲透與擴(kuò)散、侵蝕反應(yīng)為主，溶出結(jié)晶很少產(chǎn)生；連續(xù)浸泡則可能發(fā)生了溶出結(jié)晶，從而使得干濕循環(huán)侵蝕時混凝土表層中的硫酸根離子含量居高。B溶液因濃度較低，連續(xù)浸泡條件下侵蝕產(chǎn)物鈣礬石易于從混凝土孔隙中沉淀結(jié)晶析出，因此干濕循環(huán)侵蝕處于居高地位，但隨著侵蝕齡期的增長，由侵蝕產(chǎn)物膨脹和析出結(jié)晶產(chǎn)生的破壞作用呈現(xiàn)出來，混凝土內(nèi)的孔隙連通和增多將使硫酸根離子的傳輸更加通暢，干濕循環(huán)條件下侵蝕產(chǎn)物鈣礬石隨著發(fā)生周期性的結(jié)晶析出，混凝土表面的硫酸根離子含量將減少；D溶液因濃度較高，連續(xù)浸泡條件下在混凝土表層孔隙內(nèi)積聚了大量的侵蝕產(chǎn)物石膏以及硫酸鈉晶體，干濕循環(huán)條件下在混凝土表面雖然也會聚集大量的結(jié)晶體，但因干燥過程中析出的結(jié)晶體在試驗(yàn)移動過程中脫落，因此測試得到的硫酸根離子含量會減小；C溶液中表層混凝土硫酸根離子含量由干濕循環(huán)、連續(xù)浸泡交替居高，可能因該濃度下侵蝕產(chǎn)物石膏、鈣礬石同時出現(xiàn)但量不同所致，是B，D溶液中變化規(guī)律的過渡表現(xiàn)。
同時注意到，侵蝕齡期超過360 d時，干濕循環(huán)條件下D溶液中混凝土表面首先出現(xiàn)明顯不規(guī)則裂紋和水泥砂漿脫落現(xiàn)象；至齡期580 d時，各溶液中混凝土表面均出現(xiàn)不同程度的脫落起砂，溶液濃度越高侵蝕程度越嚴(yán)重，干濕循環(huán)條件又高于連續(xù)浸泡條件。因此，從圖1中反映出隨著侵蝕齡期增長和侵蝕溶液濃度的增大，表層混凝土中硫酸根離子含量以連續(xù)浸泡居高的規(guī)律，除固有的侵蝕機(jī)理外，還應(yīng)該與本試驗(yàn)采取的方法有關(guān)。因干濕循環(huán)條件下表面脫落起砂帶走了相應(yīng)的侵蝕產(chǎn)物和硫酸鈉晶體，使試驗(yàn)測得的硫酸根離子含量降低，該測試值并不是表層混凝土原有的含量值。
由圖1中第2層（對應(yīng)測試深度2.5 mm）混凝土中硫酸根離子含量變化，可以發(fā)現(xiàn)一個大致的規(guī)律，即干濕循環(huán)條件下的硫酸根離子含量高于連續(xù)浸泡條件下的相應(yīng)值。這表明干濕循環(huán)條件下，干燥過程和浸泡過程產(chǎn)生的干濕交替應(yīng)力對受侵蝕混凝土中孔隙連通和擴(kuò)展起到了加速效應(yīng)，不僅增加了硫酸根離子在混凝土內(nèi)的傳輸速率，而且增加了硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的接觸表面積，使侵蝕反應(yīng)更加充分。但這一規(guī)律仍與侵蝕溶液濃度相關(guān)：B溶液中混凝土受干濕循環(huán)加速效應(yīng)的侵蝕齡期約為140 d，明顯長于C溶液中的90 d和D溶液中的40 d；隨著侵蝕齡期的增長，B溶液因濃度低而有利于混凝土孔隙中侵蝕產(chǎn)物鈣礬石的結(jié)晶析出、使硫酸根離子含量減小，D溶液中混凝土表層的大量晶體沉積起到了阻塞混凝土孔隙的作用而使得第二層混凝土的侵蝕產(chǎn)物較難析出、導(dǎo)致硫酸根離子含量不斷增加。顯然，D溶液對表層混凝土的嚴(yán)重侵蝕破環(huán)也影響到了第二層，使得侵蝕齡期580 d時第二層混凝土的硫酸根離子含量明顯降低。
試驗(yàn)結(jié)果表明，干濕循環(huán)使得混凝土受侵蝕深度增加，侵蝕齡期180，270，580 d的侵蝕深度分別達(dá)6，11，16 mm，相應(yīng)深度處混凝土中硫酸根離子含量：B溶液中侵蝕分別為0.85%，0.90%和0.88%，C溶液中侵蝕分別為0.86%，0.93%和0.92%，D溶液中侵蝕分別為1.0%，0.97%和0.85%。連續(xù)浸泡條件下混凝土受侵蝕深度基本在6 mm以內(nèi)而沒有明顯變化。由圖2可見，相對而言，濃度很高的D溶液中混凝土淺層沉積了高含量的硫酸根離子，使得侵蝕破壞首先在淺層發(fā)生，并按著由表及里破壞的方式對混凝土產(chǎn)生層層剝離性侵蝕。
圖2 干濕循環(huán)作用下混凝土硫酸根含量沿侵蝕深度的變化Fig.2 Variations of sulfate-ion content along the erosive depth of concrete under wetting-drying cycles
3 結(jié) 論
與連續(xù)浸泡侵蝕比較，干濕循環(huán)作用對硫酸鹽侵蝕混凝土具有加速效應(yīng)，不僅使混凝土中的硫酸根離子含量增長，而且使混凝土受侵蝕深度加大。侵蝕溶液濃度高低影響硫酸鈉對混凝土侵蝕破壞的模式。隨著侵蝕溶液濃度的提高，大量硫酸根離子沉積在混凝土表層，受侵蝕混凝土表現(xiàn)出明顯的由表及里的層層剝離破壞。
［1］ 張 譽(yù)，蔣利學(xué)，張偉平，等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.（ZHANG Yu，JIANG Li-xue，ZHANG Wei-ping，et al.Durability of Concrete Structures［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，2003.（in Chinese））
［2］ OUYANG C S，NANNI Antonio.Internal and external sources of sulfate ions in portland cement mortar：Two types of chemical attack［J］.Cement and Concrete Re-search，1988，（18）：699－709.
［3］ 呂林女，何永佳，丁慶軍.混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理及其影響因素［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報，2003，22（6）：465－468.（LU Lin-nv，HE Yong-jia，DING Qing-jun.Influence factors and mechanism of sulfate attack on con-crete［J］.Journal of Jiaozuo Institute of Technology，2003，22（6）：465－468.（in Chinese））
［4］ NIELST，SADANANDA S.Mechanism of concrete dete-rioration due to salt crystallization［J］.Materials Charac-terization，2004，（53）：123－127.
［5］ 游寶坤，席耀忠.鈣礬石的物理化學(xué)性能與混凝土的耐久性［J］.中國建材科技，2002，（3）：13－18.（YOU Bao-kun，XIYao-zhong.Physic－chemical prop-erties of ettringite and durability of concrete［J］.China Buing Materials Technology，2002，（3）：13－18.（in Chinese））
［6］ ZHAO Shun-bo，HE Rui-chun，GAO Run-dong，et al.Re-search on Mechanism of Sulfate Attack on Concrete by TG-DSCmethod［C］∥Advances in Concrete Structural Durability.Hangzhou：Zhejiang University Press，2008：549－555.
［7］ 賀瑞春，陳記豪，趙順波.混凝土受硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)方法研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2008，29（3）：30－32.（HE Rui-chun，CHEN Ji-hao，ZHAO Shun-bo.Study on testmethod of concrete attacked by sulfate［J］.Journal of North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，2008，29（3）：30－32.（in Chi-nese））
［8］ CCES01－2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南［S］.（CCES01－2004.Guide for Durability Design and Construction of Concrete Structures［S］.（in Chinese））
［9］ GB／T176－2008，水泥化學(xué)分析方法［S］.（GB／T 176－2008.Method for Chemical Analysis of Cement［S］.（in Chinese））
［10］趙順波，陳記豪，高潤東，等.硫酸鹽侵蝕混凝土內(nèi)部硫酸根離子濃度測試方法。港工技術(shù)，2008，（3）：31－33.（ZHAO Shun-bo，CHEN Ji-hao，GAO Run-dong，et al.Measurementof sulfate－ion content in concrete at-tacked by sulfate［J］.Port Engineering Technology，2008，（3）：31－33.（in Chinese））
（編輯：王 慰）
“三峽工程運(yùn)用對下游洲灘血吸蟲擴(kuò)散影響研究”項(xiàng)目組討論會召開
水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)——“三峽工程運(yùn)用對下游洲灘血吸蟲擴(kuò)散影響研究”項(xiàng)目組討論會于2010年1月29日在長江科學(xué)院河流研究所召開。討論會由長江科學(xué)院副院長盧金友主持，參加討論會的有長江水利委員會國科局、湖南省血防所、湖北省血防所、長江科學(xué)院科研計劃處和河流所的專家和相關(guān)負(fù)責(zé)同志。
這次討論會分兩個主要議題：一是對項(xiàng)目組已開展的工作和存在的問題進(jìn)行了深入的交流和討論；二是對下一步工作的內(nèi)容和實(shí)施的細(xì)節(jié)進(jìn)行了認(rèn)真的討論。各位專家積極建言獻(xiàn)策，整個討論會氣氛熱烈活躍，為項(xiàng)目的進(jìn)一步開展打下了良好的基礎(chǔ)。
（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）
Influences of Erosion M odes on Sulfate-ion Transportation in Concrete
LIFeng-lan1，MA Li-heng1，GAO Run-dong2，ZHAO Shun-bo1
（1.School of Civil Engineering and Communication，North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China；2.State key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
The erosion modes of both continuous immersion and wetting-drying cycles were selected to study their effects on the transportation process of sulfate-ion in concrete.The strength grade of concrete was C40，the natural drymode in room temperature was used.The concentration of sodium sulfate solutionswere 800 mg／L，6000 mg／L and 50 000 mg／L respectively.With the erosion ages of30 d，90 d，180 d，360 d and 580 d，the sampleswere made by drilling core，cutting into slices and grinding into powder，and tested by the chemical analysismethod.In comparison with continuous immersion，the wetting-drying cycles can generally accelerate the sulfate-ion transporta-tion into concrete in deep，and increase the sulfate-ion content in the same depth of concrete.The sulfate-ions in e-rosion solution of lower concentration tend to be transported into deep place of concretewhere the sulfate-ion content will be increased.The erosion solution of high concentration tends to generate concrete failure from the exterior to the interior，somuch more sulfate-ions are gathered in the shallow layer of concrete.
concrete；sulfate erosion；continuous immersion；wetting-drying cycle；sulfate-ion； transportation
TU502.5
A
1001－5485（2010）03－0062－04
2009-03-15；
2009-05-13
河南省杰出青年科學(xué)基金（04120002300），國家自然科學(xué)基金委和雅礱江聯(lián)合基金（50579096）
李鳳蘭（1964-），女，河北武邑人，教授，主要從事土木工程材料研究，（電話）0371-65790237（電子信箱）lifl64＠ncwu.edu.cn。
猜你喜歡
基于聲發(fā)射技術(shù)的早齡期混凝土斷裂性能建筑材料學(xué)報(2024年2期)2024-03-06 08:56:02 外部因素對鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)及形貌的影響綜述硅酸鹽通報(2023年1期)2023-03-17 07:39:44 外部因素對鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)及形貌的影響綜述硅酸鹽通報(2023年1期)2023-03-17 07:39:38 塑鋼纖維混凝土早齡期力學(xué)性能研究湖南城市學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)(2022年6期)2022-11-14 01:31:12 某黃金冶煉廠水系中硫酸根濃度降低試驗(yàn)探索世界有色金屬(2021年6期)2021-06-14 08:30:46 鈣礬石的性能及膨脹作用機(jī)理分析河南建材(2020年10期)2020-11-21 04:56:12 電場強(qiáng)化SRB生物膜降解硫酸根條件優(yōu)化安徽工程大學(xué)學(xué)報(2016年2期)2016-07-20 03:52:22 早齡期混凝土對大跨連續(xù)剛構(gòu)橋撓度的影響四川水泥(2016年8期)2016-07-18 12:06:31 硫酸鹽侵蝕下鈣礬石的形成和膨脹機(jī)理研究現(xiàn)狀硅酸鹽通報(2016年12期)2016-02-05 08:21:29 基于超聲脈沖法早齡期混凝土性能研究進(jìn)展江蘇建材(2014年6期)2014-10-27 06:01:29
李鳳蘭，馬利衡，高潤東，趙順波
（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
侵蝕方式對硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)挠绊?/p>
李鳳蘭1，馬利衡1，高潤東2，趙順波1
（1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011；
2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
對連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)2種侵蝕方式下硫酸根離子在混凝土中的傳輸過程進(jìn)行了比較研究。選取混凝土強(qiáng)度等級為C40，采用室溫下自然干燥方式，硫酸鈉侵蝕溶液的濃度為800，6 000，50 000 mg／L。當(dāng)侵蝕齡期分別達(dá)到30，90，180，360，580 d時，采用鉆芯、分層切片、研磨提取水泥石粉末樣本進(jìn)行化學(xué)分析，測定不同深度處混凝土的硫酸根離子含量。結(jié)果表明：總體上看干濕循環(huán)與連續(xù)浸泡相比更具有加速硫酸根離子向混凝土內(nèi)傳輸?shù)淖饔?，使同深度處硫酸根離子含量增加；濃度較低的侵蝕溶液硫酸根離子具有更易于向混凝土深處傳輸?shù)内厔?，使較深處硫酸根離子含量增加；濃度較高的侵蝕溶液更偏于按著由表及里破壞的方式對混凝土產(chǎn)生侵蝕，使高含量的硫酸根離子聚集在淺層混凝土中。
混凝土；硫酸鹽侵蝕；連續(xù)浸泡；干濕循環(huán)；硫酸根離子；傳輸
硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的一個重要因素。硫酸鹽能夠與混凝土中水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成體積膨脹性侵蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂［1，2］，破壞混凝土與鋼筋的粘結(jié)［3］，甚至使混凝土表層脫落，失去對鋼筋的保護(hù)作用。按外部環(huán)境作用的不同，硫酸鹽侵蝕分為連續(xù)浸泡、干濕循環(huán)和部分浸泡3種類型。連續(xù)浸泡主要是因化學(xué)侵蝕引起混凝土的破壞，而干濕循環(huán)則是化學(xué)侵蝕和物理結(jié)晶的綜合作用。
各國學(xué)者對硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了較多的研究。在干濕循環(huán)研究方面，很多試驗(yàn)采用了加熱干燥的循環(huán)方式，但是加熱時混凝土中的組分以及侵蝕產(chǎn)物會發(fā)生熱分解［4，5］，將對侵蝕機(jī)理的研究產(chǎn)生干擾。本試驗(yàn)采用室溫下自然干燥方式，模擬了自然環(huán)境中的干濕交替現(xiàn)象，采用硫酸鋇重量法檢測混凝土中硫酸根離子含量，并結(jié)合熱分析技術(shù)對侵蝕產(chǎn)物進(jìn)行辨認(rèn)［6］，研究了連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)2種侵蝕方式對硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)挠绊懀瑸榱蛩猁}侵蝕機(jī)理的研究提供了依據(jù)。
1 試驗(yàn)概況
試驗(yàn)用原材料：水泥采用鄭州金龍水泥股份有限公司生產(chǎn)的“龍源牌”42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所列；骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.71的天然河砂和最大粒徑為20 mm的連續(xù)級配碎石?；炷猎O(shè)計強(qiáng)度等級為C40，配合比為水∶水泥∶砂∶碎石＝201∶457∶591∶1 201，水灰比為0.44，砂率為33%，拌合水為自來水。
表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chem ical composition of cement%
試驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，澆注成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，隨后進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。采取2種侵蝕方式［7］：一種是長期浸泡腐蝕試驗(yàn)，將試件放入到Na2SO4溶液中進(jìn)行連續(xù)浸泡；另一種是干濕循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，將試件先放入硫酸鈉溶液中浸泡15 d（濕狀態(tài)），再取出在空氣中干燥15 d（干狀態(tài)），作為一個干濕循環(huán)。硫酸鈉溶液濃度對應(yīng)于混凝土所處環(huán)境分類及其作用等級的中度、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重［8］，分別為800，6 000，50 000 mg／L（3種溶液分別用B，C，D表示）。浸泡過程中為保持溶液濃度不變，用塑料薄膜對溶液進(jìn)行密封以防止揮發(fā)，侵蝕在室內(nèi)進(jìn)行，溶液定期更換，溫度保持在20℃左右，相對濕度保持在70%左右。
為準(zhǔn)確反映硫酸根的一維侵蝕規(guī)律，減小多向侵蝕的干擾，采用雙面（對面）侵蝕，其余4面（包括成型面）用石蠟密封。侵蝕齡期為30，90，180，270，360，580 d時，使用工程鉆芯機(jī)鉆芯取樣，然后進(jìn)行切割分層，每次以3個混凝土試塊為1組，樣芯直徑為20 mm，第一層厚度取1.5 mm，第二層厚度取2 mm，以后每層厚度均取5 mm，分別對應(yīng)侵蝕深度（從試件表面算起）0.75，2.5，6，11，16，21，26，31 mm。采用改進(jìn)的水泥化學(xué)分析方法進(jìn)行混凝土硫酸根離子含量的測定［9，10］。硫酸根含量以SO3計。由于水泥中含有一定量的石膏和SO3，則混凝土在遭受外部硫酸鹽侵蝕之前，其內(nèi)部已含有一定量的硫酸根，經(jīng)測量內(nèi)部初始硫酸根含量約為0.78%。因此，當(dāng)某層測試的硫酸根含量超過0.78%時，判定該層受到了外部硫酸鹽侵蝕。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)臋C(jī)理
外部環(huán)境的硫酸根離子向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中將發(fā)生如下行為：
（1）硫酸根離子沿混凝土內(nèi)孔隙的滲透與擴(kuò)散。由于混凝土的多相組成決定了其成型后不可避免地存在孔隙和缺陷，當(dāng)混凝土試塊浸泡于硫酸鈉溶液中時，溶液中的硫酸根離子首先將依靠滲透、擴(kuò)散、毛細(xì)吸收等作用向混凝土內(nèi)部傳輸，其速率取決于混凝土的抗?jié)B性［3］。本試驗(yàn)混凝土試塊完全浸泡于裝有硫酸鈉溶液的水箱中，水箱高度有限，水壓力很小，溶液的硫酸根離子主要由內(nèi)外濃度差引起的傳輸作用進(jìn)入混凝土內(nèi)。
（2）硫酸根離子與混凝土水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)。外部硫酸根離子進(jìn)入混凝土后，與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)生成硫酸鈣（石膏），硫酸鈣再與水泥水化生成的水化鋁酸鈣和水化單硫鋁酸鈣反應(yīng)生成水化三硫鋁酸鈣（鈣礬石）［1］。石膏和鈣礬石的生成均使原體積增加很多，進(jìn)而導(dǎo)致對混凝土的膨脹破壞作用，產(chǎn)生的裂隙使硫酸根離子更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，形成惡性循環(huán)［5］。B溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石，C溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物為鈣礬石和石膏，D溶液中混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為石膏［6］。
（3）可溶性侵蝕產(chǎn)物的溶出結(jié)晶。在本試驗(yàn)不流動侵蝕溶液條件下，侵蝕反應(yīng)產(chǎn)生的石膏和鈣礬石將溶出結(jié)晶。鈣礬石晶體長大造成的結(jié)晶壓將使混凝土膨脹而開裂［3，5］。
2.2 硫酸根離子在混凝土中傳輸?shù)囊?guī)律
根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，可以將2種侵蝕方式作用下混凝土表層（深度0.75 mm處）和內(nèi)層（深度2.5 mm處）的硫酸根離子含量隨侵蝕齡期的變化，繪制如圖1所示。
圖1 連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)作用下混凝土的硫酸根含量對比Fig.1 Comparisons of sulfate-ion content of concrete under continuous immersion and wetting-drying cycles
表層（對應(yīng)測試深度0.75 mm）混凝土中，侵蝕齡期30 d時，硫酸根離子含量以干濕循環(huán)侵蝕居高；隨著侵蝕齡期的增長，硫酸根離子含量由干濕循環(huán)侵蝕居高向連續(xù)浸泡侵蝕居高轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變點(diǎn)對應(yīng)的侵蝕齡期隨著侵蝕溶液濃度的增大而縮短，如B溶液對應(yīng)齡期約為300 d，D溶液對應(yīng)齡期約為60 d。這表明了硫酸根離子按照滲透與擴(kuò)散、侵蝕反應(yīng)、溶出結(jié)晶的順序向混凝土內(nèi)傳輸：在侵蝕齡期30 d時，干濕循環(huán)侵蝕只在前15 d浸泡，硫酸根離子以滲透與擴(kuò)散、侵蝕反應(yīng)為主，溶出結(jié)晶很少產(chǎn)生；連續(xù)浸泡則可能發(fā)生了溶出結(jié)晶，從而使得干濕循環(huán)侵蝕時混凝土表層中的硫酸根離子含量居高。B溶液因濃度較低，連續(xù)浸泡條件下侵蝕產(chǎn)物鈣礬石易于從混凝土孔隙中沉淀結(jié)晶析出，因此干濕循環(huán)侵蝕處于居高地位，但隨著侵蝕齡期的增長，由侵蝕產(chǎn)物膨脹和析出結(jié)晶產(chǎn)生的破壞作用呈現(xiàn)出來，混凝土內(nèi)的孔隙連通和增多將使硫酸根離子的傳輸更加通暢，干濕循環(huán)條件下侵蝕產(chǎn)物鈣礬石隨著發(fā)生周期性的結(jié)晶析出，混凝土表面的硫酸根離子含量將減少；D溶液因濃度較高，連續(xù)浸泡條件下在混凝土表層孔隙內(nèi)積聚了大量的侵蝕產(chǎn)物石膏以及硫酸鈉晶體，干濕循環(huán)條件下在混凝土表面雖然也會聚集大量的結(jié)晶體，但因干燥過程中析出的結(jié)晶體在試驗(yàn)移動過程中脫落，因此測試得到的硫酸根離子含量會減小；C溶液中表層混凝土硫酸根離子含量由干濕循環(huán)、連續(xù)浸泡交替居高，可能因該濃度下侵蝕產(chǎn)物石膏、鈣礬石同時出現(xiàn)但量不同所致，是B，D溶液中變化規(guī)律的過渡表現(xiàn)。
同時注意到，侵蝕齡期超過360 d時，干濕循環(huán)條件下D溶液中混凝土表面首先出現(xiàn)明顯不規(guī)則裂紋和水泥砂漿脫落現(xiàn)象；至齡期580 d時，各溶液中混凝土表面均出現(xiàn)不同程度的脫落起砂，溶液濃度越高侵蝕程度越嚴(yán)重，干濕循環(huán)條件又高于連續(xù)浸泡條件。因此，從圖1中反映出隨著侵蝕齡期增長和侵蝕溶液濃度的增大，表層混凝土中硫酸根離子含量以連續(xù)浸泡居高的規(guī)律，除固有的侵蝕機(jī)理外，還應(yīng)該與本試驗(yàn)采取的方法有關(guān)。因干濕循環(huán)條件下表面脫落起砂帶走了相應(yīng)的侵蝕產(chǎn)物和硫酸鈉晶體，使試驗(yàn)測得的硫酸根離子含量降低，該測試值并不是表層混凝土原有的含量值。
由圖1中第2層（對應(yīng)測試深度2.5 mm）混凝土中硫酸根離子含量變化，可以發(fā)現(xiàn)一個大致的規(guī)律，即干濕循環(huán)條件下的硫酸根離子含量高于連續(xù)浸泡條件下的相應(yīng)值。這表明干濕循環(huán)條件下，干燥過程和浸泡過程產(chǎn)生的干濕交替應(yīng)力對受侵蝕混凝土中孔隙連通和擴(kuò)展起到了加速效應(yīng)，不僅增加了硫酸根離子在混凝土內(nèi)的傳輸速率，而且增加了硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的接觸表面積，使侵蝕反應(yīng)更加充分。但這一規(guī)律仍與侵蝕溶液濃度相關(guān)：B溶液中混凝土受干濕循環(huán)加速效應(yīng)的侵蝕齡期約為140 d，明顯長于C溶液中的90 d和D溶液中的40 d；隨著侵蝕齡期的增長，B溶液因濃度低而有利于混凝土孔隙中侵蝕產(chǎn)物鈣礬石的結(jié)晶析出、使硫酸根離子含量減小，D溶液中混凝土表層的大量晶體沉積起到了阻塞混凝土孔隙的作用而使得第二層混凝土的侵蝕產(chǎn)物較難析出、導(dǎo)致硫酸根離子含量不斷增加。顯然，D溶液對表層混凝土的嚴(yán)重侵蝕破環(huán)也影響到了第二層，使得侵蝕齡期580 d時第二層混凝土的硫酸根離子含量明顯降低。
試驗(yàn)結(jié)果表明，干濕循環(huán)使得混凝土受侵蝕深度增加，侵蝕齡期180，270，580 d的侵蝕深度分別達(dá)6，11，16 mm，相應(yīng)深度處混凝土中硫酸根離子含量：B溶液中侵蝕分別為0.85%，0.90%和0.88%，C溶液中侵蝕分別為0.86%，0.93%和0.92%，D溶液中侵蝕分別為1.0%，0.97%和0.85%。連續(xù)浸泡條件下混凝土受侵蝕深度基本在6 mm以內(nèi)而沒有明顯變化。由圖2可見，相對而言，濃度很高的D溶液中混凝土淺層沉積了高含量的硫酸根離子，使得侵蝕破壞首先在淺層發(fā)生，并按著由表及里破壞的方式對混凝土產(chǎn)生層層剝離性侵蝕。
圖2 干濕循環(huán)作用下混凝土硫酸根含量沿侵蝕深度的變化Fig.2 Variations of sulfate-ion content along the erosive depth of concrete under wetting-drying cycles
3 結(jié) 論
與連續(xù)浸泡侵蝕比較，干濕循環(huán)作用對硫酸鹽侵蝕混凝土具有加速效應(yīng)，不僅使混凝土中的硫酸根離子含量增長，而且使混凝土受侵蝕深度加大。侵蝕溶液濃度高低影響硫酸鈉對混凝土侵蝕破壞的模式。隨著侵蝕溶液濃度的提高，大量硫酸根離子沉積在混凝土表層，受侵蝕混凝土表現(xiàn)出明顯的由表及里的層層剝離破壞。
［1］ 張 譽(yù)，蔣利學(xué)，張偉平，等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.（ZHANG Yu，JIANG Li-xue，ZHANG Wei-ping，et al.Durability of Concrete Structures［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，2003.（in Chinese））
［2］ OUYANG C S，NANNI Antonio.Internal and external sources of sulfate ions in portland cement mortar：Two types of chemical attack［J］.Cement and Concrete Re-search，1988，（18）：699－709.
［3］ 呂林女，何永佳，丁慶軍.混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理及其影響因素［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報，2003，22（6）：465－468.（LU Lin-nv，HE Yong-jia，DING Qing-jun.Influence factors and mechanism of sulfate attack on con-crete［J］.Journal of Jiaozuo Institute of Technology，2003，22（6）：465－468.（in Chinese））
［4］ NIELST，SADANANDA S.Mechanism of concrete dete-rioration due to salt crystallization［J］.Materials Charac-terization，2004，（53）：123－127.
［5］ 游寶坤，席耀忠.鈣礬石的物理化學(xué)性能與混凝土的耐久性［J］.中國建材科技，2002，（3）：13－18.（YOU Bao-kun，XIYao-zhong.Physic－chemical prop-erties of ettringite and durability of concrete［J］.China Buing Materials Technology，2002，（3）：13－18.（in Chinese））
［6］ ZHAO Shun-bo，HE Rui-chun，GAO Run-dong，et al.Re-search on Mechanism of Sulfate Attack on Concrete by TG-DSCmethod［C］∥Advances in Concrete Structural Durability.Hangzhou：Zhejiang University Press，2008：549－555.
［7］ 賀瑞春，陳記豪，趙順波.混凝土受硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)方法研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2008，29（3）：30－32.（HE Rui-chun，CHEN Ji-hao，ZHAO Shun-bo.Study on testmethod of concrete attacked by sulfate［J］.Journal of North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，2008，29（3）：30－32.（in Chi-nese））
［8］ CCES01－2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南［S］.（CCES01－2004.Guide for Durability Design and Construction of Concrete Structures［S］.（in Chinese））
［9］ GB／T176－2008，水泥化學(xué)分析方法［S］.（GB／T 176－2008.Method for Chemical Analysis of Cement［S］.（in Chinese））
［10］趙順波，陳記豪，高潤東，等.硫酸鹽侵蝕混凝土內(nèi)部硫酸根離子濃度測試方法。港工技術(shù)，2008，（3）：31－33.（ZHAO Shun-bo，CHEN Ji-hao，GAO Run-dong，et al.Measurementof sulfate－ion content in concrete at-tacked by sulfate［J］.Port Engineering Technology，2008，（3）：31－33.（in Chinese））
（編輯：王 慰）
“三峽工程運(yùn)用對下游洲灘血吸蟲擴(kuò)散影響研究”項(xiàng)目組討論會召開
水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)——“三峽工程運(yùn)用對下游洲灘血吸蟲擴(kuò)散影響研究”項(xiàng)目組討論會于2010年1月29日在長江科學(xué)院河流研究所召開。討論會由長江科學(xué)院副院長盧金友主持，參加討論會的有長江水利委員會國科局、湖南省血防所、湖北省血防所、長江科學(xué)院科研計劃處和河流所的專家和相關(guān)負(fù)責(zé)同志。
這次討論會分兩個主要議題：一是對項(xiàng)目組已開展的工作和存在的問題進(jìn)行了深入的交流和討論；二是對下一步工作的內(nèi)容和實(shí)施的細(xì)節(jié)進(jìn)行了認(rèn)真的討論。各位專家積極建言獻(xiàn)策，整個討論會氣氛熱烈活躍，為項(xiàng)目的進(jìn)一步開展打下了良好的基礎(chǔ)。
（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）
Influences of Erosion M odes on Sulfate-ion Transportation in Concrete
LIFeng-lan1，MA Li-heng1，GAO Run-dong2，ZHAO Shun-bo1
（1.School of Civil Engineering and Communication，North China Institute ofWater Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China；2.State key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
The erosion modes of both continuous immersion and wetting-drying cycles were selected to study their effects on the transportation process of sulfate-ion in concrete.The strength grade of concrete was C40，the natural drymode in room temperature was used.The concentration of sodium sulfate solutionswere 800 mg／L，6000 mg／L and 50 000 mg／L respectively.With the erosion ages of30 d，90 d，180 d，360 d and 580 d，the sampleswere made by drilling core，cutting into slices and grinding into powder，and tested by the chemical analysismethod.In comparison with continuous immersion，the wetting-drying cycles can generally accelerate the sulfate-ion transporta-tion into concrete in deep，and increase the sulfate-ion content in the same depth of concrete.The sulfate-ions in e-rosion solution of lower concentration tend to be transported into deep place of concretewhere the sulfate-ion content will be increased.The erosion solution of high concentration tends to generate concrete failure from the exterior to the interior，somuch more sulfate-ions are gathered in the shallow layer of concrete.
concrete；sulfate erosion；continuous immersion；wetting-drying cycle；sulfate-ion； transportation
TU502.5
A
1001－5485（2010）03－0062－04
2009-03-15；
2009-05-13
河南省杰出青年科學(xué)基金（04120002300），國家自然科學(xué)基金委和雅礱江聯(lián)合基金（50579096）
李鳳蘭（1964-），女，河北武邑人，教授，主要從事土木工程材料研究，（電話）0371-65790237（電子信箱）lifl64＠ncwu.edu.cn。
猜你喜歡
建筑材料學(xué)報(2024年2期)2024-03-06 08:56:02
硅酸鹽通報(2023年1期)2023-03-17 07:39:44
硅酸鹽通報(2023年1期)2023-03-17 07:39:38
湖南城市學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)(2022年6期)2022-11-14 01:31:12
世界有色金屬(2021年6期)2021-06-14 08:30:46
河南建材(2020年10期)2020-11-21 04:56:12
安徽工程大學(xué)學(xué)報(2016年2期)2016-07-20 03:52:22
四川水泥(2016年8期)2016-07-18 12:06:31
硅酸鹽通報(2016年12期)2016-02-05 08:21:29
江蘇建材(2014年6期)2014-10-27 06:01:29
